基于LoRaWAN-Server的態勢呈現平臺設計

楊心元 杜丹 王凱

摘要：基于LoRaWAN-Server，設計了一套由服務器、應用服務器及Web前端組成的態勢呈現平臺，介紹了系統的總體設計思路，以及系統服務器、Web前端的具體設計和實現。通過搭建試驗驗證系統，對LoRaWAN-Server以及前端處理能力進行測試試驗，有效證明了LoRaWAN-Server處理多終端接入和管理的優勢。系統充分發揮了LoRaWAN-Server在大規模組網、呈現服務等方面突出的優點，對未來物聯網系統的設計、開發和部署具有一定的參考意義。

關鍵詞：LoRaWAN-Server；物聯網；態勢呈現

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）16-55-3

0引言

隨著科學技術的發展以及現代社會的需求，信息化平臺已成為互聯網發展的一個重要方向，態勢總覽與指揮控制平臺系統能夠廣泛應用于城市管理等多個領域。高品質的大數據可視化分析決策系統，擁有悅目的視覺設計和復雜的計算程序，與最新的前端呈現技術相結合構建出效果非凡的系統[1]。與此同時，隨著物聯網在世界各領域的蓬勃發展，更加符合物聯網的通信技術的研究和實現[2]。

LoRaWAN-Server是LoRaWAN網絡中連接網關和前端服務平臺的協議處理器，提供終端節點接入鑒權、網關接入控制、LoRaWAN協議解析、數據傳輸、數據加解密及數據格式轉換等功能，是物聯網中不可缺少的一個關鍵服務器[3]。

1系統總體設計

系統采用了標準的LoRaWAN通信協議，相比于網狀網絡，LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，消除了同步開銷和跳數，具有結構簡單和低功率等特點[4]。

系統主要由終端節點、基站、LoRaWAN-Server、前端服務器以及前端構成。終端節點上報位置等參數信息；基站負責轉發終端節點消息至LoRaWAN-Server；LoRaWAN-Server主要完成用戶和設備的管理、通信協議的解析、網絡安全和網絡管理及采集信息等功能；前端服務器主要提供消息交互接口和地圖服務。前端主要包括信息呈現、設備管理前臺操作等功能，系統構架如圖1所示。

2系統軟件設計

系統軟件主要包括數據接口和可視化界面，系統軟件設計如圖2所示。

2.1數據接口設計

數據接口設計包括數據庫接口、WebSocket接口和MQTT接口三部分。

（1）數據庫接口

服務器具有2個數據庫管理軟件，PostgreSQL用來存儲設備數據，前端通過此數據庫接口獲取終端上報的位置、運動以及健康信息，PostgreSQL對數據完整性和嚴肅性要求高，對商業數據邏輯封裝性好，尤其是地理數據、密集運算及重型負載應用等優勢特別明顯，對于處理數據量大且無法預測的情況，PostgreSQL能夠穩定存取[5]。另一個數據庫Redis，用來存儲會話（如節點地址及入網密鑰等），前端通過此數據庫接口進行終端入網管理，基于Redis數據庫設計軌跡數據的存儲方案及數據存儲結構，提高了在線平臺的實時存儲效率[6]。數據庫管理軟件數據來源如圖3所示。

（2）WebSocket接口

服務器中內嵌WebSocket服務器，前端建立WebSocket連接與服務器通信，實現服務器瀏覽器間異步、雙工。在通信過程中，WebSocket協議頭最多占用14 Byte，且不用定期主動輪詢，從而節省帶寬占用、節約終端電量及實現高效傳輸，客戶端對話模擬演示如圖4所示。

（3）MQTT接口

服務器收到數據后，連接到MQTT代理服務器，前端通過MQTT代理服務器與服務器通信。采用發布/訂閱模型的MQTT協議是一種輕量級的消息傳輸協議，具有低功耗、節省流量和可擴展性強的優點[7]。

2.2可視化界面設計

可視化界面設計包括二維地理信息和三維仿真模型兩部分。

（1）二維地理信息

終端節點規模大、數量多、分布廣，面臨直觀管理挑戰。地圖分布實際利用TWaver GIS結合Tomcat地圖服務，構建二維地圖展示場景單位、設施的數據狀態、實時跟蹤節點和精準定位。兼容OpenstreeMap，BingMap，GoogleMap，MapABC等主流地圖，可實現不同應用場景，對應不同展示效果的功能。二維地圖展示與節點呈現結構模塊如下：

①init模塊：主要完成地圖的初始化功能。initMap模塊用new twaver.gis.Map（container“，myMap”）創建地圖，并應用map.addLayer（“mapABC”， GISConsts.EXECUTOR_TYPE_MAPABC）加載mapABC地圖。

②get模塊：$.ajax （“rxframes”，{type：“GET”，data：{_filters，_page：“1”}，function（）{//parseFun（）}}），從PostgreSQL數據庫獲取終端節點信息。

③Show模塊：用creatTopo主要完成節點拓撲呈現。new twaver.ElementBox（）創建network視圖對象，new twaver.vector. Network（box）創建box容器，new twaver.gis.Adapter（）創建適配器對象，adapter .bindNetworkAndMap （network， map ）綁定network和map，new twaver.gis.geometry.GeoCoordinate（lat，ln）；new twaver.Node（）； Box.add（node）； node.setClient（GISSettings. GEOCOORDINATE，geo）將含有經緯度信息的節點放在box中。二維地圖展示場景如圖5所示。

（2）三維仿真模型

態勢數據挖掘分析可視化平臺，結合二維地理信息系統可視化技術與三維地理信息系統可視化技術的優勢，以最佳方式實現環境可視化和態勢可視化。借助二維視圖進行準確標繪，利用三維視圖進行更加逼真的態勢顯示。TWaver MONO（HTML5 3D）技術以三維仿真模型，呈現從九軸傳感器所獲取的運動姿態以及終端運動外形、空間位置，支持全球30 m精度高程地形。

3系統測試與分析

搭建系統演示環境，并對系統的功能和性能參數進行了測試，啟動終端設備上報位置信息、運動信息和環境數據，通過基站轉發數據至服務器，前端通過數據庫接口做節點呈現。測試時，同時開啟200個終端發送數據，測試結果如表1所示。

通過測試結果可以看到，在不同距離，同時確保多個基站能收到所有終端數據時，服務器丟包率為0、前端展示節點率100%，有效證明了LoRaWAN-Server在多節點穩定接入以及態勢平臺穩定呈現的優勢。

4結束語

根據現代應用場景多終端接入、環境可視化的需求，提出了基于LoRaWAN-Server的地圖服務與三維視圖解決方案，設計了基于LoRa的終端和基站設備，并搭建了系統演示環境，對LoRaWAN-Server的服務性能進行了測試。通過測試結果可以看到，與傳統Web服務器相比，LoRaWAN-Server具有支持網絡安全、多節點穩定接入的優點，更加適用于物聯網的部署[8]，并且該系統具有很強的場景適應性，根據用戶提供不同的服務，相信在以后的應用過程中，應用領域會越來越廣泛。

參考文獻

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[3] TAHSIN C M D，ETHIOPIA N.Security of Join Procedure and Its Delegation in LoRaWAN[J].Procedia Computer Science，2018（7）：204-211.

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[6]閆密巧，王占宏，王志宇.基于Redis的海量軌跡數據存儲模型研究[J].微型電腦應用，2017，33（4）：9-11.

[7]林滸，張家銘，楊海波.基于MQTT協議的即時消息業務設計與實現[J].計算機系統應用，2017，26（3）：219-224.

[8] MATTIA R，PAOLO F. Evaluation Of the LoRaWAN Solution for Distributed Measurement Applications[J]. Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions，2016，5 （6）：37-41.